Циклоалканы

Циклоалканы – предельные углеводороды, атомы которых замкнуты в цикл, с общей формулой гомологического ряда С_nH_2n. Первый член ряда – циклопропан (С₃Н₆). Различают малые циклы (С_n – 3…4), средние (С_n – 5…7) и макроциклы (С_n  8). Каждый атом углерода находится в состоянии sp³ – гибридизации и, следовательно, образует 4 одинарные -связи.

Циклоалканы (нафтеновые углеводороды) различаются размерами цикла:

Номенклатура циклоалканов. Такие соединения называют еще алициклическими, под которыми понимают все карбоциклические соединения, включающие циклы углеродных атомов за исключением ароматических соединений (имеющих бензольное кольцо).

Циклоалканы различают по числу членов в цикле и числу циклических группировок в соединении. Соединение с одной такой группировкой называют в соответствии с общими правилами, при этом главной считается цепь, образующая цикл. Перед ее названием добавляется приставка «цикло». Нумерацию углеродных атомов проводят таким образом, чтобы сумма номеров заместителей была наименьшей. Номер одного заместителя не указывается.

Строение циклоалканов. Первоначально считалось, что все атомы цикла расположены в одной плоскости. Тогда должны быть следующими углы между связями: 3-х членный цикл – 60, 4-х членный – 90, 5-ти членный – 108, 6-ти членный – 120. Вместе с тем, для цепей предельных углеродных атомов в отсутствии их возбуждения характерны так называемые тетраэдрические углы – 10928. Была высказана идея (Байер, 1885 г), что с ростом отклонения угла между С–С-связями от тетраэдрического растет напряженность и снижается устойчивость соединений, то есть повышается их химическая активность. За меру подобной напряженности цикла была предложена половина разности (10928фактический валентный угол)/2, которую обозначим через. Ниже показано, как величинасвязана с С_nв цикле:

n	3	4	5	6	7	8	9
	2444	944	044	516	933	1246	3516

Таким образом, меньше всего напряжена молекула циклопентана, а наиболее – циклопропана. Действительно, кольцо С₃Н₆очень легко размыкается под действием галогенов и галогеноводоордов, а исходное соединение интенсивно каталитически гидрируется. Таким образом, прочность циклоалканов возрастает в ряду

Более того, с n> 5 энергия всех циклоалканов примерно одинакова, что не соответствует указанному выше подходу.

Дело в том, что циклоалканы могут иметь различную пространственную структуру. Примером служит циклогексан, для которого возможны структуры: кресло и ванна (рис. 5).

Изомерия циклоалканов. Для подобных соединений возможна как структурная, так и пространственная изомерия:

1. Изомерия строения углеродного скелета может быть связана с различными причинами:

1а. С разной величиной цикла, например, для условной (эмпирической) молекулярной формулы С₅Н₁₀имеем:

1б. Со строением боковых цепей.

1в. С различным относительным положением в цикле. Покажем это на примере дизамещенного циклобутана (3 изомера).

2. Стереоизомерия, возможная при наличии двух заместителей. Два заместителя, находящиеся в молекуле циклоалкана у различных атомов углерода, могут быть расположены:

– по одну сторону от плоскости цикла; такой дизамещённый циклоалкан называют цис-изомером;

– по разные стороны от плоскости цикла; такой дизамещённый циклоалкан называют транс-изомером.